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第二章 沉积岩的形成及演化229717228

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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第二章 沉积岩的形成及演化基本内容 :基本概念 :风化作用 (物理风化、化学风化、生物风化 )、风化壳、牛顿流体、层流、紊流、雷诺数、佛罗德数、沉积分异作用 (机械沉积分异和化学沉积分异作用 )、正常沉积作用、事件沉积作用、沉积后作用。基本原理: 各种造岩矿物、岩石的风化及其产物,母岩风化的阶段性,碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用,两种沉积分异作用的关系,沉积后阶段的划分,沉积岩的分类。重点: 碎屑物质在流水中的搬运和沉积作用,沉积岩的分类本次课主要参考文献:《 沉积岩石学 》 第二章,石油工业出版社 ,20012.冯增昭, 《 沉积岩石学 》 第二章,石油工业出版社, 1993沉积岩的形成及其形成后的演化的全部历史过程大致可分为以下几个阶段:1、沉积岩原始物质 (主要是母岩风化产物)的形成阶段2、沉积岩原始物质的搬运和沉积阶段 (即沉积物的形成阶段)3、沉积后作用阶段 (包括沉积物的同生作用和准同生作用阶段、沉积物的成岩作用阶段、沉积岩的后生作用阶段)第一节 母岩的风化作用—— 沉积岩最原始物质的形成一、风化作用的概念风化作用 是地壳最表层的岩石在温度变化、大气、水、生物等因素的作用下,发生机械破碎和化学变化的一种作用。风化作用的地壳表层岩石的一种破坏作用。风化作用按其性质可分为三种类型:物理风化作用( 学风化作用( 物风化作用( 、各种造岩矿物的风化及其产物石英 ( :主要的造岩矿物,在风化作用中稳定性极高,它几乎不发生化学溶解作用,一般只发生机械破碎作用。 长石 ( 稳定性次于石英,风化稳定性由高到低的顺序是:钾长石、多钠的酸性斜长石、中性斜长石、基性斜长石。最先析出的成分是 钾,其次是 硅 ,最后才是铝。K[钾长石 )现 “ 卡门涡街 ” ,紊流 (涡流 )自然界中绝大多数水体是紊流运动3、缓流、急流和佛罗德数在明渠水流中按流动强度不同可分为急流、缓流和临界流三种状态。这三种流态的判别标准是佛罗德数 ( 惯性力 / 重力 = 作佛罗德数,即 ,急流,超临界流,水浅流急 ,临界流 ,静流,缓流或临界以下的流动,水深流缓明渠水流随着流动强度的加大,在床面上会依次出现下列床沙形体:无颗粒运动的平坦床沙沙纹沙浪沙丘过渡型低角度沙丘平坦床沙逆行沙丘流槽和凹坑4、两种流体及其搬运和沉积作用方式牵引流 (搬运机制是流体动能拖曳牵引沉积物一起运动,如河流、风流和波浪流等。沉积物重力流 (引搬运 (牵引作用 )引流的搬运力包括推力和载荷力。 推力(牵引力 )与流速有关, 载荷力 (负荷力 )与流量有关。牵引流搬运方式: 溶解载荷、悬移载荷、推移载荷或床沙载荷。重力流搬运的驱动力主要起因于重力。二、 碎屑物质的搬运和沉积作用随屑颗粒在流水中的搬运和沉积,主要与水的流动状态关系密切,是层流还是紊流,是急流还是缓流;还与碎屑颗粒的本身特点(大小、相对密度和形状等)有关。碎屑物质在静水中下沉情况可用 斯拖克实验公式 表示( 1850):其中: V— 颗粒下沉速度( cm/s),颗粒密度, 水介质密度,g— 重力加速度( 980cm/s2)r— 颗粒半径( 2 d 1 - d 2V = g r ( < 0 . 1 m m )9 μ适 用 于 粒 径 的 球 形 颗 粒碎屑颗粒在静水中下沉速度与颗粒半径平方成正比;碎屑颗粒在静水中下沉速度与其相对密度成正比;假设球形颗粒的沉速为 100,则椭球形颗粒的沉速为 84~ 61,立方体为 74,长柱体为 50,片状颗粒为 80~ 38;斯托克公式只有在静水或层流的条件下才适用。碎屑物质在流水中的搬运和沉积,流速和颗粒大小之间的关系最为关键 。尤尔斯特隆图解经森德伯格( 1956)修改过的尤尔斯特隆图解3、碎屑物质在流水搬运过程中的变化成分上的变化:不稳定组分逐渐减少,稳定组分则相应增加,同其它组分也就变得更加简单了。碎屑颗粒度逐渐变小。碎屑颗粒的圆度逐渐变好碎屑颗粒的球度也有所增高沉积分异作用包括:粒度分异相对密度的分异形状上的分异,片状碎屑颗粒较粒状碎屑颗粒搬运远成分分异。机械沉积分异作用 —— 碎屑物质在搬运和沉积过程中,当介质运动的速度和运移的能力在一定的方向上作有规律的变化时,它们也相应按照颗粒大小、密度和形状发生分异,依次沉积。与沉积分异作用相对立的是 “ 掺和作用 ” 或“ 混合作用 ” 、 “ 混杂作用 ” 。三、碎屑物质在海、湖水中的搬运和沉积作用陆地表面流水搬运的碎屑物质,大部分都注入海洋,其次是湖泊。海、湖是流水搬运碎屑物质的最终场所。1、碎屑物质在海水中的搬运和沉积作用引起海洋中碎屑物质搬运和沉积的营力主要是波浪和潮汐,其次是海流。波浪 主要由风引起,波浪的大小主要取决于风的大小 。波基面 (浪底 )波浪所影响的最大深度 。除正常天气情况下,碎屑物质在横向和纵向波浪作用下的搬运和沉积作用外 . 还有阵发性的 风暴浪 将浅海沉积物卷起而重新搬离或搬向海岸,形成 风暴沉积物 。潮汐作用 对滨岸地区的碎屑物质影响很大,在潮汐作用带,水体作大规模地涨潮和落潮运动,因此也使水底的碎屑物质作相应的往返运动。近岸地带的 海流 或深海的 浊流 、 等深流 、 内潮汐流 、 冷流 、 暖流 、 赤道洋流 和 上返洋流 等对碎屑物质的搬运和沉积均有一定的作用。海洋中碎屑物质在波浪、潮汐等的长期作用下,也会发生成分、粒度、圆度上的变化以及分异作用 。2、碎屑物质在湖水中的搬运和沉积作用与海洋相比,湖泊面积小,缺乏潮汐作用,因此,潮浪和潮流是潮泊中搬运和沉积碎屑物质的主要营力。四、碎屑物质在空气中的搬运和沉积作用(自学为主 ) 风是碎屑物质在空气中搬运和沉积的主要营力。在干旱地区,这种搬运和沉积作用是主要的。空气只能搬运碎屑物质,而不能搬运溶解物质。五、碎屑物质在冰川中的搬运和沉积作用(自学为主 ) 在寒冷的两极地区和高寒山区,冰川的搬运及沉积作用是主要的。冰川的搬运与堆积:冰碛物 碛物的基本特征:结构疏松,大小混杂,分选极差;冰碛物中砾石磨圆极差;一般缺乏层理构造。第三节 溶解物质的搬运和沉积作用一、概述母岩风化产物中的溶解物质,主要为 S、 a、 K、 P、 。它们均呈溶解状态,在河水或地下水中,向湖泊和海洋中转移。前面的溶解度较大,多呈真溶液;后面的溶解度较小,多呈胶体溶液。二、胶体溶液物质的搬运和沉积作用胶体 体质点一般介于 100~ 1μ 呈分子状态。胶体质点常有电荷。三、真溶液物质的搬运和沉积作用母岩风化产物中的真溶液物质主要是 S、 a、 K、 P、 溶液物质的搬运及沉积作用的根本控制因素是它们的溶解度。溶解度越大,越易搬运,越难沉积。溶解度越大,越易搬运,越难沉积。于沉淀,在它们的搬运和沉积作用中,水介质的各种物理化学条件的影响十分重要。各种铁、锰矿物生成时所需要的 介质的影响不大,它们只有在干热的气候条件下,在封闭或办封闭的盆地中,或在水循环受限制的潮上地带,即在蒸发条件下,才能沉积下来。如石膏、硬石膏、镁盐等。四、生物的搬运和沉积作用生物在母岩风化产物的搬运和沉积过程中起着重要的作用,不少沉积岩和沉积矿产的形成都与生物作用有关,或直接由生物作用而形成。如碳酸盐岩、磷酸盐岩、沉积铁矿、硅藻土、白垩、煤、油页岩和石油等。在各类生物中,尤以 藻类 和 细菌 等微生物在沉积岩和沉积矿产形成作用中的意义愈来愈大。生物的搬运和沉积作用有两种方式:一是生物通过新陈代谢作用,在其生活过程中不断地从周围介质中吸取一定的物质成分,从而把一些元素富集起来。另一种方式是由于生物作用而引起的周围介质条件的改变,从而影响某些物质的搬运和沉积。五、化学沉积分异作用化学沉积分异作用 岩风化产物中的溶解物质,在搬运和沉积过程中,由于各元素和化合物彼此在化学性质上的差异 (主要是化学活泼性或溶解度大小 ),它们从溶液中按一定先后顺序沉淀出来,从而逐渐产生了分异。六、两种沉积分异作用的关系及其地质意义1、关系机械沉积分异作用进行得较早,化学沉积分异作用进行得较晚。机械沉积分异作用 化学沉积分异作用砂和粉砂阶段 铁的氧化物阶段粘土沉积阶段 碳酸盐阶段已基本结束 硫酸盐及卤化物阶段2、意义两种沉积分异作用的结果,就形成了各种类型的机械沉积岩和化学沉积岩以及相应的各种沉积矿产。分异作用进行越彻底,各种类型的沉积岩在成分上和结构上的成熟度就越高,从而越易形成各种沉积矿产。七、正常沉积作用和事件沉积作用正常沉积作用 一作用过程是缓慢的、均变的。事件沉积作用 发性的或灾变性的搬运和沉积作用。这类作用的发生和发展可能是瞬间的、短暂的,但其作用过程是快速的。第四节 沉积后作用及其阶段划分1、搬运方式推移搬运(滚动搬运,包括跳跃搬运)悬浮搬运(悬移搬运)2、机械沉积作用处于搬运状态的碎屑物质,在一定的条件下主要是当流水的动力不足以克服碎屑的重力时,碎屑物质就会沉积下来。母岩沉积岩的形成与演化沉积物形成阶段成岩作用阶段沉积岩后生作用阶段变质作用 变质作用沉积后作用成岩作用后生作用广义的成岩作用包括狭义的 成岩作用 和 后生作用 两个阶段。成岩作用 生作用 积后作用的上限为沉积物表面或潜水面。沉积后作用的下限为变质岩带顶 (<220℃ ,<1000二、沉积后作用阶段的划分沉积后作用阶段的划分,到目前为止也还没有一个公认的、统一的划分方案。关术语的阐明1、 埋藏成岩作用 要由于机械压实作用和化学胶结作用,致使岩石逐渐变致密、孔隙度减小、物性变差等一系列物理和化学变化直到变质作用。2、 沉积后作用 、 同生作用 ‘ 海解作用 ’ 、 ‘ 海底风化作用 ’ 及 ‘ 陆解作用 ’ 等。4、 准同生作用 、 成岩作用 (广义 )至基本上与上覆水体脱离,使沉积物在新的物理化学条件下,产生新的平衡,致使疏松的沉积物固结成岩的全部变化过程。6、 后生作用 沉积岩转变为变质岩之前或遭受风化作用之前所产生的一切作用和变化。7、 表生作用 潜水面以下常温常压或低温低压条件下,由于渗透水和浅部地下水 (包括上升水 )的影响下所发生的变化。四、沉积期后的影响因素沉积物脱离沉积环境进入沉积期后变化阶段,实质上是沉积物在新的条件下,重新建立起新的平衡的过程。影响这一平衡过程的因素主要有: 沉积物的成分、温度、压力、以及层间水溶液的性质 (溶度积、自由度、 度、溶解气体的状况等 ) 。五、沉积后作用的主要类型1、压实作用2、压溶作用3、胶结作用和固结作用4、重结晶作用和矿物的多相转变作用5、交代作用6、溶解作用第五节 沉积岩的分类沉积岩的基本类型划分二、一些问题的说明1、关于粘土岩为什么将粘土岩划归碎屑岩中 ?沉积岩中的粘土物质基本上是母岩风化的产物经过机械搬运和沉积作用而来的,基本上是陆源的,由化学作用在沉积环境中新生成的粘土矿物为量很少。2、碳酸盐岩虽然颗粒石灰岩的沉积机理主要是机械的,但其颗粒的生成还是化学作用或生物作用为主的。3、关于生物化学岩实际上是生物岩与化学岩之间的过渡岩石类型,如生物石灰岩、礁石灰岩、白垩、硅藻岩等。4、关于附生岩象含铜、铀、硫、沸石、海绿石以及其他特殊元素或矿物的沉积岩,由于其经济意义较大,常受人们的格外重视,并常被称作 “ 含铜岩 ” 、 “ 含铀岩 ” 、 “ 含海绿石岩 ” 等。5、关于异地岩和原地岩异地岩 地岩 、关于内源岩和外源岩外源岩 源岩 考题1、试述母岩风化产物的主要类型。2、试述影响碎屑物质在流水中搬运和沉积作用的主要因素。3、以尤尔斯特隆图解为例,说明碎屑颗粒的搬运、沉积与流速的关系。并说明细砂级颗粒为何分选最好。4、试述斯托克沉速公式的含义及其适用条件。5、何谓牵引流、重力流?二者在搬运和沉积方面各有什么特点?6、何谓沉积分异?试述机械沉积分异和化学沉积分异的关系及在地质中的意义。7、试述沉积后作用的概念及其研究的意义。8、试述沉积岩分类的原则、依据及岩石类型。
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